Порядок выполнения работы
ВВЕДЕНИЕ
Практикум по курсу ''Физика материалов легкой промышленности'' включает в себя работы по изучению различных свойств полимеров: механических (1), реологических (3,4), диэлектрических (6), оптических (7), гигроскопических (5).
А также в лабораторный практикум включена работа по изучению поверхностных явлений, происходящих в жидкостях, например, клеях.
В начале каждой лабораторной работы сформулирована цель данного задания, перечислены материалы и оборудование. Далее идет краткая теория, знакомящая студента с основами курса и позволяющая рассчитать определяемые величины, описание экспериментальных установок, методика и порядок выполнения работы и обработки экспериментальных данных. В конце описания каждой работы приводятся контрольные вопросы, позволяющие студенту провести самооценку своих знаний по данной теме.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗМЕРЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ РЕЗИНЫ
Оборудование: лабораторная установка.
Краткая теория
Под действием сил, приложенных к твёрдому телу, его форма меняется, т.е. происходит его деформация. При небольших упругих деформациях выполняется закон Гука:
s = E e, (1.1)
где s - напряжение,
E - модуль Юнга,
e - относительное удлинение.
Рассмотрим определение величин напряжения и относительного удлинения. Если к стержню, один конец которого закреплён, приложить силу, направленную вдоль оси (рис.1.1), то стержень удлиняется от первоначального значения lo до конечного l. Абсолютным удлинением называется величина
Dl= l- lo (1.2)
Относительным удлинением называется
отношение
. (1.3)
Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу площади:
, (1.4)
где F – сила,
S – площадь поперечного сечения стержня.
Из закона Гука следует физический смысл модуля Юнга, который численно равен напряжению, при котором длина стержня увеличивается в два раза.
Закон Гука выполняется для упругих деформаций – таких, которые полностью исчезают после прекращения действия силы. Различные материалы обнаруживают упругие свойства при разных относительных удлинениях: до 1% для металлов и до десятков и сотен процентов для полимеров. Модуль Юнга также имеет разные значения: для стали – 2,1 × 10 11 Па, для стеклообразных полимеров – 1 ¸ 10 ГПа, для каучукообразных полимеров – 1 ¸ 10 МПа.
Один и тот же полимер в зависимости от условий испытаний (величины, скорости приложения нагрузки, температуры) может проявлять различные механические свойства. При низких температурах и высоких частотах воздействия, полимер может быть стеклообразным материалом. При деформациях менее 5 % он будет разрушаться или переходить в пластическое состояние. При высоких температурах или низких частотах тот же полимер может быть каучукообразным материалом и может иметь большое удлинение (около 100 %) без остаточной деформации. Остаточная деформация – это деформация, которая не исчезает после прекращения действия нагрузки. При ещё больших температурах и действии силы создаются необратимые деформации, т.е. полимер ведёт себя как высоковязкая жидкость.
Таким образом, модуль Юнга является характеристикой механических свойств полимеров, рассчитать которую можно по закону Гука (1.1):
(1.4)
Подставляя значения s и E из формул (1.5) и (1.3), получим
. (1.5)
Учитывая, что поперечное сечение резиновой ленты имеет форму прямоугольника с размерами а и b и площадью S = a × b, найдём модуль Юнга по формуле:
. (1.6)
Устройство экспериментальной установки
В данной лабораторной работе для измерения модуля Юнга используется
простейшая установка, показанная на рисунке 1.2.
1
3 2
Рисунок 1.2 - Рабочая схема установки
Установка состоит из динамометра 1, линейки 2 и резиновой ленты 3, для которой измеряется модуль Юнга. Растягивая резиновую ленту и измеряя значения сил с помощью динамометра и удлинения с помощью линейки, найдём значение модуля Юнга по формуле (1.6).
Порядок выполнения работы
1.3.1 Нанесите две метки на резиновую ленту.
1.3.2 Измерьте расстояние между ними lo на нерастянутой ленте и внесите в таблицу 1.1
Т а б л и ц а 1.1 – Результаты измерений
№
| lo, м
| а, м
| b, м
| l, м
| F, м
| E, Па
| Dlо, м
| Dа, м
| Db, м
| DF, м
| eотн, %
| DЕ, Па
| 1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.3.3 Измерьте штангенциркулем поперечные размеры резиновой ленты а и b в нерастянутом состоянии и внесите их в табл.1.1
1.3.4 Растяните ленту. Измерьте динамометром значение силы F. Измерьте линейкой расстояние l между метками на растянутой ленте. Внесите их в таблицу 1.1
1.3.5 Повторите измерения несколько раз, постепенно увеличивая значение силы.
1.3.6 Рассчитайте для каждого испытания значения модуля Юнга по формуле (1.7).
1.3.7 Определите абсолютные погрешности величин Dlо , Dа, Db, DF как приборные, т.е. равные половине цене деления измерительного прибора и внесите их в табл.1.1
1.3.8 Рассчитайте относительную погрешность измерения модуля Юнга по формуле:
DЕ DF Dlо Dа Db 2Dlо
e отн = ¾ = ¾ + ¾ + ¾ + ¾ + ¾ ,
E F lo a b l- lo
и абсолютную погрешность:
DЕ = e отн E .
Внесите значения e отн и DЕ в таблицу 1.1
1.4 Контрольные вопросы
1.4.1 Каков физический смысл модуля Юнга ?
1.4.2 Какие виды деформаций имеют место для низко– и высокомолекулярных соединений ?
Что такое упругие и неупругие деформации ?
1.4.3 Что такое высокоэластичная деформация ?
1.4.4 В каких единицах измеряется модуль Юнга ?
1.4.5 Что такое диаграмма растяжения ?
1.4.6 Каков вид диаграммы растяжения для полимеров в разных состояниях ?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ ОТРЫВА КОЛЬЦА
Цель работы:определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Оборудование:установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, набор разновесов.
Краткая теория
Молекулы жидкости, расположенные в поверхностном слое и внутри жидкости, находятся в разных состояниях. На молекулу М1, расположенную внутри жидкости, действуют другие молекулы жидкости равномерно со всех сторон. Поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу М2 сил равна нулю (рис.2.1).
М2
_
R М1
Рисунок 2.1 - Силы, действующие на молекулы в жидкости и её поверхностном слое
На молекулу М2 действия сил со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул воздуха. Поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу сил R направлена внутрь жидкости нормально к её поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Поэтому поверхностный слой давит с большей силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико, для воды 1,1×10 9 Н / м2.
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Это избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией.
Стремление жидкости сохранить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости.
Количественной характеристикой поверхностного натяжения является коэффициент поверхностного натяжения a , который численно равен силе F, действующей на единицу длины l контура, ограничивающего поверхность жидкости:
. (2.1)
Также коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхностной энергии W, приходящейся на единицу площади поверхности S жидкости:
. (2.2)
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры), степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения), растворения в жидкости различных веществ. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) адсорбируются на поверхности жидкости и уменьшают её свободную поверхностную энергию. Такими веществами являются жирные кислоты, их соли, спирты, эфиры и другие.
В данной работе для расчёта поверхностного натяжения используется метод отрыва кольца (рис.2.2). Для отрыва кольца от поверхности жидкости
требуется усилие, равное силе
поверхностного натяжения:
F = mg , (2.3)
где m – масса разновесок,
g – ускорение свободного падения.
d
D
Рисунок 2.2 - Метод отрыва кольца
Длина границ плёнки равна сумме наружной и внутренней границ металлического кольца:
l=pD + p (D – 2d)=2p(D-d), (2.4)
где D – наружный диаметр металлического кольца,
d - его толщина.
Тогда, исходя из формулы (2.1), найдём коэффициент поверхностного натяжения:
. (2.5)
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|